CN107263454A - 变胞并联机构 - Google Patents
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Abstract
一种变胞并联机构,其通过3条对称布置的相同变胞支链连接固定平台和运动平台;变胞支链由具有解耦特性的2自由度球面五杆机构和4自由度TPP串联支链组合而成;变胞支链具有3种不同工作模式,3条变胞支链在3种不同工作模式间切换时,变胞并联机构可具有10种不同的工作模式;所述变胞并联机构具有动态性能好,工作模式多,重构过程无奇异等优点。
Description
技术领域:
本发明属于机构学及机器人学领域,特别涉及一种变胞并联机构。
背景技术:
传统的固定自由度并联机构因具有高刚度、高承载能力、高精度、高速度等优点,使其在重载操作、工业机器人、运动模拟器、微纳操作、增材制造等领域等到了重要及广泛应用。
但随着现代科技的发展,在极端作业、先进制造、医疗康复、太空探索等领域越来越希望机构具有更高的柔性,能根据作业任务变化而可重构其拓扑结构、变化其自由度数和自由度性质、重构其工作模式。在这种背景下,可重构并联机构引起了学者们的广泛关注,成为机构学和机器人学领域新的研究热点。学者们利用变胞运动副、可锁死关节、约束奇异单环闭链、变胞单环闭链、可重构运动平台等发明了一些特色鲜明的可重构并联机构,但现有的可重构并联机构构型仍然比较少,且存在工作模式较少、伺服电机安装在远离机架位置、重构过程中存在支链奇异或约束奇异等不足。
发明内容:
本发明针对现有技术之不足,提出一种新型变胞并联机构,其具有10种不同工作模式,全部伺服电机可安装在机架,变胞过程中无支链奇异和约束奇异。
本发明解决其技术问题所采用的方案是:一种变胞并联机构,其为对称结构,通过3条相同的变胞支链连接并联机构的固定平台和运动平台。变胞支链由具有解耦特性的球面五杆机构和4自由度TPP串联支链混联而成,在描述运动副时,T为虎克铰,P为移动副。
具有解耦特性的球面五杆机构由5根杆组成,各杆间通过转动副连接,相邻转动副轴线正交,所有转动的轴线都通过球面五杆机构的几何中心点,球面五杆机构自由度为2,选取球面五杆机构与机架相连的两个转动副为输入副。两个输入副输入为零时,为变胞支链的初始位形。
串联支链由T副和两个线性无关的P副组成,与球面五杆机构相邻的为T副,T副轴线v和2个P副轴线正交,在初始位形T副轴线u与R1轴线正交且与R2轴线平行,串联支链的2根杆通过P1副相连,串联支链和变胞并联机构的运动平台通过P2副相连。
当锁死和轴线u平行的输入副,驱动另一个输入副,变胞支链将存在一个约束力矢,变胞支链自由度为5,变胞支链工作在模式A。当锁死和轴线u正交的输入副,驱动另一个输入副,变胞支链将存在一个约束力耦,变胞支链自由度为5,变胞支链工作在模式B。当同时驱动两个输入副,变胞支链无约束,变胞支链自由度为6,变胞支链工作在模式C。两个输入副输入为零的位形,是变胞支链3种不同工作模式进行切换的初始位形。
当变胞并联机构的3条变胞支链分别在3种不同工作模式间切换时,变胞并联机构可变胞为3T3R、3T2R、2T3R、2T2R、3T1R、3R1T、3R、3T、2T1R和2R1T共10种不同的工作模式,在描述工作或运动模式时,T代表移动,R代表转动。
附图说明:
图1为球面五杆机构。
图2为变胞支链初始位形。
图3为变胞支链工作模式A。
图4为变胞支链工作模式B。
图5为变胞支链工作模式C。
图6为变胞并联机构。
具体实施方式:
以下结合附图和实施例对本发明作进一步详述:
图1所示为具有解耦性质的球面五杆机构,其由5根杆和5个转动副组成。各杆间通过转动副相连,所有转动副的轴线都通过球面五杆机构的几何中心,相邻转动副轴线正交。选取与机架相连的转动副R1和R2为输入副。
图2所示为初始位形时的变胞支链,其由2自由度球面五杆机构和一个4自由度TPP串联支链组合而成,串联支链由T副、2个线性无关的P副和2根杆组成。串联支链中与球面五杆机构相邻的为T副,T副轴线v和2个P副轴线正交;初始位形时T副轴线u与R1轴线正交,且初始位形时T副轴线u与R2轴线平行。串联支链的2根杆通过P1副相连,串联支链和变胞并联机构的运动平台通过P2副相连。
图3所示为重构为工作模式A的变胞支链,此时R1为输入副,R2被锁死。此时T副轴线u与R1轴线正交,T副轴线u与R2轴线不再平行。此时变胞支链自由度为5,其存在1个约束力矢,约束力矢过轴线u与R1轴线的交点,方向与T副轴线v方向相同。
图4所示为重构为工作模式B的变胞支链,此时R2为输入副,R1被锁死。此时T副轴线u与R1轴线不再正交,T副轴线u与R2轴线平行。此时变胞支链自由度为5,其存在1个约束力耦,T副轴线u与R2的轴线组成一组平行线矢,T副轴线v组成另一组线矢,约束力耦方向为两组线矢的公法线。
图5所示为重构为工作模式C的变胞支链,此时R1和R2同为输入,变胞支链自由度为6,其无约束。
如图6所示由3条变胞支链组成的变胞并联机构,构件1为运动平台,构件2为固定平台,连接固定平台2和运动平台1的3条变胞支链为对称布置。当3条变胞支链分别在3种不同工作模式间切换时,变胞并联机构具有10种不同工作模式,分别为3T3R、3T2R、2T3R、2T2R、3T1R、3R1T、3R、3T、2T1R和2R1T工作模式,在描述工作或运动模式时,T为移动,R为转动。
因变胞并联机构的全部输入副都与固定平台相连,其全部伺服电机都安装在固定平台,因此所述变胞并联机构具有动态特性好的优点。因每条变胞支链具有3种不同工作模式,3条结构相同且对称布置的变胞支链在不同工作模式间切换时,变胞并联机构可具有10种不同工作模式,因此所述变胞并联机构具有工作模式多的优点。因球面五杆机构具有解耦特性,变胞并联机构在重构过程中无支链奇异和约束奇异,其具有有效避免上述奇异的优点。
Claims (1)
1.一种变胞并联机构,其为对称结构,其由3条相同的变胞支链连接固定平台和运动平台;变胞支链由解耦的2自由度球面五杆机构和4自由度TPP串联支链组合而成,在描述运动副时,T为虎克铰,P为移动副;
球面五杆机构由5根杆和5个转动副组成,各杆通过转动副相连,所有转动副轴线都通过球面五杆机构的几何中心,相邻转动副轴线正交,选取与球面五杆机构机架相连的转动副R1和R2作为球面五杆机构的输入副,R1和R2输入为零时,为变胞支链不同工作模式进行切换的初始位形;
串联支链由T副和2个线性无关的P副组成,与球面五杆机构相邻的为T副,T副轴线v和2个P副轴线正交,在初始位形T副轴线u与R1轴线正交且与R2轴线平行,串联支链的2根杆通过P1副相连,串联支链与运动平台通过P2副相连;
当锁死R2,驱动R1,变胞支链工作在工作模式A,此时轴线u与R1轴线正交,但轴线u与R2轴线不再平行,此时变胞支链自由度为5,变胞支链存在一个约束力矢,该约束力矢过轴线u与R1轴线的交点,方向与轴线v方向相同;
当锁死R1,驱动R2,变胞支链工作在工作模式B,此时轴线u与R1轴线不再正交,但轴线u与R2轴线平行,此时变胞支链自由度为5,变胞支链存在一个约束力耦,此时轴线u与R2为轴线相平行的一组线矢,轴线v为另一组线矢,两组线矢的公法线方向即为约束力耦方向;
当同时驱动R1和R2,变胞支链工作在工作模式C,此时球面五杆机构自由度为2,串联支链自由度为4,由它们组合而成的变胞支链自由度为6,此时变胞支链无约束;
当3条变胞支链在3种不同工作模式间切换时,变胞并联机构将具有3T3R、3T2R、2T3R、2T2R、3T1R、3R1T、3R、3T、2T1R和2R1T共10种不同的工作模式,在描述工作或运动模式时,T代表移动,R代表转动。
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